Univerza v Ljubljani FS & FKKT. Varnost v strojništvu

Transcript

1 Univerza v Ljubljani FS & FKKT Varnost v strojništvu doc.dr. Boris Jerman, univ.dipl.inž.str. Govorilne ure: pisarna: FS telefon: 01/ boris.jerman@fs.uni-lj.si, (Tema/Subject: VDPN -...) Uvod Nosilna konstrukcija stroja (ogrodje) zajema tiste dele stroja, ki se upirajo nastopajočim obremenitvam in tako zagotavljajo osnovni pogoj za varno delovanje. Ogrodje stroja je opora vsem ostalim sklopom stroja ter omogoča njihovo pravilno razmestitev v prostoru in njihovo delovanje. V veliki meri daje stroju oz. napravi tudi zunanji izgled. Pri opiranju drugih sklopov se v ogrodju lahko pojavijo velike obremenitve. 1

2 Pomembni vidiki pri snovanju nosilnih elementov stroja/naprave: zahtevana funkcionalnost; mejna deformabilnost nosilnih elementov (sprememba oblike); mejne mehanske obremenitve (vključno s procesnimi obrem.); druga mejna stanja nosilnih elementov; temperaturne razmere v stroju/napravi in okolici; lastne frekvence stroja in njegovih delov; nevarnosti, ki jim bo izpostavljen upravljavec stroja in njegova okolica, vključno z nevarnostmi za okolje. Vsi ti vidiki so pomembni v vseh obdobjih življenjske dobe stroja! Da se zagotovi ustrezne lastnosti nosilnih konstrukcij, je pri njihovem snovanju potrebno upoštevati sledeče kriterije: - globalna stabilnost stroja/naprave (nevarnost prevrnitve); - napetostni kriterij (nevarnost plastifikacije, porušitve); - deformacijski kriterij (nevarnost odpovedi funkcionalnosti); - kriterij utrujanja (nevarnost utrujenostnega loma); - stabilnostni kriteriji (nevarnost uklona, izbočenja, zvrnitve); - kriterij žilavosti (nevarnost krhkega loma). 2

3 Kovinska gradiva za nosilne konstrukcije strojev Jekla (zlitina Fe in C od 0,1 do 2,04 % C): ogljikova splošna konstrukcijska jekla (0,1 do 0,25 % C in zadosti nizek odstotek S, P in Si) so osnovna in najbolj pogosto uporabljana gradiva; drobnozrnata nelegirana in nizko legirana jekla so tudi zelo uveljavljena; nerjavna jekla prevladujejo v kemijski, farmacevtski in živilski industriji ter na področju kriotehnike; jekla za poboljšanje se uporablja za nosilne elemente kot so sorniki, osi, gredi, zobniki itd., kjer je potrebna velika površinska trdota in se jih praviloma ne vari. Aluminijeve zlitine (nekatere) Mehanske lastnosti jekla Oznaka σ prop Točka Opis σ el σ pl σ m σ pret 3

4 Mehanske lastnosti jekla Trgalni stroj Epruvete okroglega in pravokotnega prereza Simulacija nateznega preizkusa Vir: iskraemeco-lab.si Epruvete po nateznem preizkusu P l a s t i č n o s t (angl.: ductility) je lastnost gradiva (npr. ogljikova konstrukcijska jekla), da se pri obremenitvi preko meje plastičnosti plastično deformira ( vlečejo ), predno se pretrga. L 0 L p A 0 A p začetna dolžina območja opazovanja; dolžina območja opazovanja ob pretrgu (brez elast. deformacije); začetni presek preskušanca najmanjši presek preskušanca ob pretrgu. V primeru neokroglih presekov epruvet je merjena dolžina kratke evropske epruvete podana z izrazom: Glede na območje opazovanja : L 0 = 10 d 0 dolga "epruveta ; L 0 = 5 d 0 kratka evropska; L 0 =3,5 d 0 japonska. 4

5 Plastičnost (duktilnost) se običajno meri z relativnim povprečnim trajnim raztezkom: Vrednost plastičnosti je odvisna od oblike preizkušanca. Velja: δ ε, 3,5 > δ ε, 5 > δ ε, 10 (Pozornost pri primerjavi podatkov!) Duktilna gradiva imajo raztezek δ ε,5 = 20 % do 50 % in več. Plastičnost je zelo pomembna za nosilne dele strojev, ker: omogoča prerazdelitve napetosti v konicah (konice napetosti), s tem pa zmanjša potrebno točnost poznavanja teh konic. Plastičnost je pomembna tudi pri izdelavi (preoblikovanje): pri kovanju, valjanju, upogibanju in vlečenju zadostna plastičnost gradiva preprečuje pojavljanje razpok; plastičnost kovin se praviloma veča z višanjem temperature, zato si pri preoblikovanju pogosto pomagamo z gretjem. POZOR! Ohlajanje gradiva opazno zniža stopnjo plastičnosti materiala. Pri izboru gradiva vedno preveriti stanje pri obratovalni temperaturi. 5

6 Ž i l a v o s t je zmožnost gradiva, da med plastičnim deformiranjem (pred porušitvijo) absorbira energijo. Opredeljena je z energijo na enoto volumna [J/cm 3 ], ki jo absorbira preizkušanec, obremenjen do zloma. Pri meritvi žilavosti (Charpijev preizkus) se izmeri modul žilavosti in ne energija zato drugačne enote. Meri se za zlom (krivljenje) porabljeno delo [J], ki se ga deli s presekom preskušanca [cm 2 ]. Žilavost ρ se zato podaja v J/cm 2 ali kar v J/preskušanec. [J = N m] Plastičnost in žilavost gradiva sta pri mehkem jeklu v dobri korelaciji. Žilavost gradiva je najbolj zaželena lastnost pri konstrukcijah, ki so podvržene mehanskim udarcem ali termičnim šokom. Pri jeklih za nosilne konstrukcije žilavost ne sme biti pod 27 J/epruveto = 35 J/cm 2. A=1 cm 2 A=0,8 cm 2 Merilna skala Začetni položaj Končni položaj Nakovalo Kladivo Začetni položaj Vir: 6

7 T r d n o s t gradiva je najvišja napetost, ki jo material še lahko prenese. Največja obremenitev F preizkušanca se deli z njegovim začetnim prečnim presekom (A 0 ) (točka M na σ ε diagramu). Pri plastičnih materialih je porušna obremenitev F (ne porušna napetost) nekoliko nižja od največje (točka U na σ ε diagramu) Modul elastičnosti je definiran za začetni - elastični del σ-ε diagrama. Predstavlja nagib proporcionalnega odseka krivulje.... elastični modul (enota: MPa = N/mm 2 ) Za vsa ogljikova konstrukcijska jekla je elastični modul zelo blizu vrednosti E = MPa. Strižni modul je definiran na identičen način:... strižni modul (enota: MPa = N/mm 2 ) Povezava obeh modulov: ν Poissonovo število (za jeklo: ν = 0,3) 7

8 [MPa] Visokotrdnostno jeklo (primer) Mehko jeklo (S235) Raztezek ε [%] Klasična konstrukcijska jekla: meja plastičnosti od 185 MPa do 360 MPa natezno trdnost od 370 MPa do 600 MPa. Visokotrdnostna jekla: meja plastičnosti in natezna trdnost mnogo večja; σ-ε diagram je ozek in visok ter nima več izrazite meje plastičnosti. razmerje meje plastičnosti proti porušni trdnosti je visoko. Modul elastičnosti, strižni modul ter temperaturni razteznostni koeficient so za obe skupini jekel praktično enaki. 8

9 Previdnost pri uporabi visokotrdnostnih jekel: material z višjo mejo plastičnosti ni vedno primernejši! material z nizko plastičnostjo (δ ε ) ne more v celoti prerazporejati konic napetosti! kdaj tako jeklo sploh uporabiti? (kjer je lastna teža zelo pomembna in ni pretirano sunkovitih obremenitev: mostovi, veliki tlačni cevovodi, nekatere tlačne posode, avtodvigala ter žerjavi večjih in velikih nosilnosti. če se želi izkoristiti visoko nosilnost, potrebno zelo skrbno oblikovanje detajlov (brez večjih zareznih učinkov ter naglih sprememb togosti). Odvisnost mehanskih lastnosti od temperature Trdnost, meja plastičnosti ter oba modula z naraščanjem temperature padajo (5 do 10 % na 100 K pri konstrukcijskih jeklih). Nad določeno temperaturo te lastnosti zelo naglo padejo - gradivo je tedaj funkcionalno neuporabno. G 9

10 Odvisnost mehanskih lastnosti od temperature Za jekla, ki se uporabljajo pri povišanih temperaturah, obstajajo podatki o lastnostih pri temperaturah do meje njihove uporabe (običajno 400 C do 600 C). Zaradi nevarnosti znižanja nosilnosti konstrukcij med požarom, vsebuje standard SIST EN 1993 parametre splošnih konstrukcijskih jekel za konstrukcijo σ-ε krivulj pri povišanih temperaturah do 1200 C, ko je konec vsakršne nosilnosti tovrstnih jekel. Pri projektiranju za temperature, ki so znatno nad ali pod običajnimi temperaturami, je potrebno to upoštevati!!! Plastičnost in žilavost jekla naraščata s temperaturo vendar ne enakomerno ampak z izrazitim stopničastim prehodom pri določeni temperaturi (prehodna temperatura). Primeri oznak: S 235, S, S 235 JR, S 235 J2 Odvisnost modula žilavosti od temperature 10

11 Odvisnost mehanskih lastnosti od debeline gradiva Zap. št. Območje debelin območja debelin za R eh 1 0 mm < t 16 mm 2 16 mm < t 40 mm 3 40 mm < t 63 mm 4 63 mm < t 80 mm 5 80 mm < t 100 mm mm < t 150 mm mm < t 200 mm mm < t 250 mm Zap. št. Območje debelin območja debelin za R m 1 0 mm < t < 3 mm 2 3 mm t 100 mm mm < t 150 mm mm < t 250 mm mm < t 400 mm Nominalna meja plastičnosti za najnižji debelinski razred. Za vsako naslednje območje debelin meja plastičnosti pade za 10 ali 20 MPa. Včasih imata dve sosednji območji debelin tudi enako mejo plastičnosti ali trdnost. Mehanske lastnosti jeklenih pločevin: so v ravnini pločevine v smeri valjanja (x-smer) nekoliko višje kot pravokotno na smer valjanja (y-smer). Razlika je nekaj odstotna (2-3 %); v smeri debeline (z-smer) so znatno nižje (10 15 %, v primeru slojevitosti pa tudi do 40 % in več). Stopnja zmanjšanja je izrazitejša pri debelih pločevinah, kjer je pregnetenost gradiva manjša. velja: 11

12 Zmanjšanje meje plastičnosti in trdnosti je problematično pri obremenitvah pločevine pravokotno na ravnino valjanja (zahtevati dodatno garancijo (atest) o tej meji plastičnosti). Dodatna težava pri debelih pločevinah: plastni iztrg slojevitost (ang.: "lamellar tearing", nem.: Terassenbruch). Razlog: vsebnost oksidov in drugih nekovinskih primesi v ingotih (pri nečisti tehnologiji). Zavaljane okside se odkriva z ultrazvočnim pregledom. (Čista tehnologija ni težav.) Neugodna smer obremenitve pločevine, ki odpira zavaljane vzdolžne razpoke. Kadar bi lahko bila pločevina slojevita, se je potrebno izogibati takim spojem. Za tak spoj predpisi zahtevajo ultrazvočni pregled na slojevitost. SIST EN opredeljuje: a) način, kako se zavarovati proti neželjeni plastovitosti gradiva; b) način izbora pločevine za primer njene obremenjenosti v smeri debeline. 12

13 Glavne vrste konstrukcijskih jekel {informativno} Splošna konstrukcijska jekla ISO , SIST EN , (JUS C.B0.500: 1989), (DIN 17100). So: - toplo valjana; - nelegirana. Ločimo: - osnovna in - kvalitetna ogljikova konstrukcijska jekla. Drobnozrnata konstrukcijska jekla SIST EN 10028/del 1, del 2 in del 3, SIST EN 10113/del 1 in del 2, (JUS C.B0.502, 1979), (DIN , DIN in delno DIN ). So: - popolnoma pomirjena (ni notranjih napetosti); - drobnozrnata; - rast kristalnih zrn preprečuje prisotnost določenih legirnih elementov (vsak pod 1 %) kot so: Nb (niobij), V (vanadij), Al, Ti, Cr, Ni, Mo, Cu in N (dušik), ki se vežejo v nitrite oziroma nitride in karbide. 13

14 Drobnozrnata konstrukcijska jekla Imajo garantirano kemično sestavo: - vsebnost ogljika: C<0,20 %, - vsebnost žvepla: 0,015<S<0,025 %, - vsebnost fosforja: 0,025<P<0,030 %. Uporabljajo se za: - tlačne posode in cevovode; - nosilne elemente cestnih in tirničnih vozil; - mostove; - druge konstrukcije velikih zahtevnosti. Jekla, odporna proti staranju Lastnosti: garantirana žilavost do 50 o C; garantirana meja plastičnosti do +400 o C; mehanske in druge lastnosti se s časom eksploatacije ne spreminjajo bistveno; varivost je zelo dobra (Niso vsa jekla variva!). Namen uporabe: tlačni cevovodi in tlačne posode. 14

15 Jeklena pločevina za tlačne posode (kotelna pločevina) SIST EN 10028/del 1 in del , (JUS C.B ), (DIN 17155). - so nelegirana in nizkolegirana; - imajo veliko žilavost; Namen: predvsem za parne kotle in druge vroče tlačne posode mehanske lastnosti garantirane do 400 C (oznaka: P...) in celo do 500 C (druga našteta jekla); garantirane so tudi trdnosti lezenja po , in urah. Predstavniki: P235GH, P265GH, P295GH, P355GH, 16Mo3, 13CrMo4-5, 10CrMo9-10 in 11CrMo9-10 Nerjavna konstrukcijska jekla SIST EN , 1995; SIST EN , 1995; SIST EN , 1995; (JUS C.B0. 600, 1990); (DIN 17441, 1985). Nerjavna jekla po SIST EN vsebujejo: Cr>10,5 % ; C< 1,2 %. Nerjavna jekla se deli na: - feritna (20 različnih standardnih jekel) (se magnetijo); - martenzitna (se magnetijo); - austenitna (37 različnih standardnih jekel) (se ne magnetijo); - austenitno-feritna nerjavna jekla. Skoraj vsa nerjavna pločevina je tudi interkristalno odporna. 15

16 Označevanje nerjavnih jekel: po SIST EN 10088: imajo na prvem mestu črko X; navedeni so tudi glavni legirni elementi. Nekateri predstavniki feritnih nerjavnih jekel: X2CrNi12 X2CrTi12 X6CrNiTi12 X6Cr13 X6CrAl13 X6CrTi12 Nekateri predstavniki austenitnih jekel X10CrNi18-8 X2CrNiN18-7 X2CrNi18-9 X2CrNi Posebne oznake podajajo stanje površine pločevine. Jekla s povečano korozijsko odpornostjo v atmosferi SIST EN , 1993 Jekla za poboljšanje SIST EN T1 in T2,

17 Izbor primerno kvalitetnega splošnega konstrukcijskega jekla po kriteriju žilavosti {informativno} Da se zagotovi varnost proti krhkemu lomu, je potrebno izbrati kvaliteto jekla glede na obratovalne okoliščine. Pri izboru je potrebno upoštevati naslednje vplive: A) koeficient Z A upošteva kombiniran vpliv nateznih napetosti s strani stalnih obremenitev ter zaostalih napetosti (zaradi varjenja); B) koeficient Z B upošteva debelino nosilnega elementa; C) koeficient Z C upošteva temperaturo obratovanja oz. montaže. Vplivni koeficient Z A σ G... Natezne napetosti vsled trajnih obremenitev σ a... Dopustna natezna napetost, določena glede na mejo plastičnosti I, II, III... skupine oz. vplivne linije 17

18 Vplivni koeficient Z A σ G... Natezne napetosti vsled trajnih obremenitev σ a... Dopustna natezna napetost, določena glede na mejo plastičnosti Vplivni koeficient Z B 18

19 Vplivni koeficient Z C Določitev koeficienta Z in primerne kvalitete jekla Z = Z A + Z B + Z C Pri : Z 2 jekla 1. kvalitetne skupine (brez garancije žilavosti) 2 < Z 4 jekla 2. kvalitetne skupine (JR) 4 < Z 8 jekla 3. kvalitetne skupine (J0) 8 < Z 16 jekla 4. kvalitetne skupine (J2, K2) 19

20 Primer - podatki splošno konstrukcijsko jeklo S235; stalna natezna napetost 80 MPa ; prisotno je kopičenje zvarov; debelina pločevine t=18 mm; temperatura obratovanja T -35 O C. Primer - izračun Za navedene pogoje (do Z=8) zadostuje jeklo S235J0, ki ima garantirano žilavost pri temperaturi 0 O C, čeprav obratovalna temperatura pade do 35 O C. 20